[发明专利]快速高精度电子倍增CCD自动增益系统及方法

权利要求书

1.一种快速高精度电子倍增CCD自动增益系统，其特征在于由EMCCD芯片、AD数据采集芯片、FPGA芯片、图像输出电路、增益电阻查找表以及时序电平转化电路组成，其中所述的EMCCD芯片、AD数据采集芯片、FPGA芯片、图像输出电路依次相连，该FPGA芯片与时序电平转化电路相连，该时序电平转化电路与EMCCD芯片相连；EMCCD芯片将采集到的图像信息以模拟信号形式传输给AD采集芯片，该AD采集芯片将模拟图像信号转化为数字图像信号传输给FPGA芯片，该FPGA芯片接收到数字图像信号后进行实时计算得出下一步调整所需的增益值，将增益值传送给增益电阻查找表，FPGA芯片还产生AD采集芯片所需的采样信号以及配置信号，同时产生图像输出电路所需的数字图像信号，以及驱动EMCCD芯片的时序信号；图像输出电路输出系统采集到的图像信号；增益对照表在接收到FPGA芯片的增益值后，转化为倍增电路中的电阻值，调整系统的倍增值；时序电平转化电路接收FPGA芯片产生的时序信号以及增益对照表传输的增倍电路电阻值，调整加载到EMCCD芯片端的驱动信号时序与信号电压值来实现增益的自动调节。

2.一种快速高精度电子倍增CCD自动增益方法，其特征在于EMCCD芯片将采集到的图像信息以模拟信号形式传输给AD采集芯片，该AD采集芯片将模拟图像信号转化为数字图像信号传输给FPGA芯片，该FPGA芯片接收到数字图像信号后进行实时计算得到直接增益调节和逐次逼近增益调节所需的增益值，将增益值传送给增益电阻查找表，FPGA芯片还产生AD采集芯片所需的采样信号以及配置信号，同时产生图像输出电路所需的数字图像信号，以及驱动EMCCD芯片的时序信号；图像输出电路输出系统采集到的图像信号；增益对照表在接收到FPGA芯片的增益值后，转化为倍增电路中的电阻值，调整系统的倍增值；时序电平转化电路接收FPGA芯片产生的时序信号以及增益对照表传输的倍增电路电阻值，调整加载到EMCCD芯片端的驱动信号时序与信号电压值来实现增益的自动调节。

3.根据权利要求2所述的快速高精度电子倍增CCD自动增益方法，其特征在于直接增益调节是在EMCCD芯片采集完一帧的图像数据后，系统中FPGA芯片对采集的图像数据进行处理，得到当前帧的加权平均亮度值Y_n；计算出G_n+1，即系统需要调整到的增益值，计算出G_n+1后，FPGA芯片将G_n+1值发送到增益电阻查找表中得到倍增电路电阻值，系统按照电阻值调整电路参数改变系统的增益值，具体过程为：

采用加权灰度均值Y作为自动增益整体亮度的衡量标准，对于成像系统图像的平均灰度Y_a为：

Ya=Σj=0knj×YjΣj=0knj]]>(k＝0，1，2，...，2^m)(1)

式中Y_j代表图像中第j级灰度，n_j是Y_j的数量，m是成像系统的图像数据位数；

以Y_a为图像灰度值的分界点，计算出高于Y_a的平均灰度值Y_aH，低于Y_a的平均灰度值Y_aL，a为Y_aH和Y_aL的分界点：

YaH=Σj=k2mnj×YjΣj=k2mnj]]>(k＝a+1，a+2，...，2^m)(2)

YaL=Σj=0knj×YjΣj=0knj]]>(k＝0，1，2，...，a-1)(3)

图像的加权灰度均值Y表示为：

Y＝t_LY_aL+t_aY_a+t_HY_aH    (4)

其中t_L、t_a、t_H分别为Y_aL、Y_a、Y_aH的权重系数，t_L、t_a和t_H的值由环境因素决定，其满足关系如下：

t_L+t_a+t_H＝1(5)

电子倍增CCD的曝光函数可表示为：

Y＝k×L×G×T    (6)

式中Y为图像加权灰度均值，k为系统常数，L为入射光强度，G为增益值，T为曝光时间；

对上式取对数简化运算得：

logY＝logk+logL+logG+logT    (7)

对前后两帧图像有：

logY_n＝logk+logL_n+logG_n+logT_n    (8)

logY_n+1＝logk+logL_n+1+logG_n+1+logT_n+1(9)

Y_n、L_n、G_n和T_n分别为当前帧图像的加权灰度均值、入射光强度、增益值和曝光时间，Y_n+1、L_n+1、G_n+1和T_n+1为下一帧图像的平均亮度、入射光强度、增益值和曝光时间；

对于高帧频成像系统，在前后两帧图像的成像过程中入射光强度不发生变化，即L_n＝L_n+1，积分时间相同，即T_n＝T_n+1；

由公式(8)、(9)可得

logL_n+1＝logL_n＝logY_n-logk-logG_n-logT_n(10)

将式(10)代入(9)得

logY_n+1＝logk+logY_n-logk-logG_n-logT_n+logG_n+1+logT_n    (11)

logY_n+1＝logY_n-logG_n+logG_n+1(12)

图像的理想亮度值Y₀，即经过增益调节后下一帧图像加权灰度均值Y_n+1所要达到的亮度值：

logY_n+1＝logY_n-logG_n+logG_n+1(13)

化简得：

Gn+1=Y0YnGn---(14)]]>

G_n+1就是下一步调整的增益值。